MATLAB.Exponenta
–Û·Ë͇ Matlab&Toolboxes

Simulink

Работы-участники конкурса Simulink-моделей.

Модель системы передачи информации с квадратурным формированием и обработкой MSK-сигнала

архив работы zip-файл

Еньков Дмитрий Александрович, Аспирант кафедры радиотехнических систем, младший научный сотрудник НИЛ 1.8, Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (БГУИР), prosto_mityan@mail.ru

Изучение метода формирования радиосигналов с угловой модуляцией путем амплитудной модуляции в квадратурных каналах. Исследование влияния модулирующих функций в квадратурных каналах на спектр радиосигнала. Исследование влияния различных параметров передатчика, приемника и канала связи (статистических характеристик помех) на помехоустойчивость моделируемой системы связи. Применима в качестве наглядного пособия для студентов.

Источником информации является генератор ПСП (PN Sequence Generator). Формула генераторного полинома ПСП в данном контексте значения не имеет. Информационное сообщение

преобразуется к биполярному виду (блок Unipolar to bipolar converter) согласно формуле:

,

затем подвергается относительному перекодированию:

,

где принято равным 1. Относительное кодирование необходимо для того, чтобы после сложения модулированных несущих в квадратурных каналах закон модуляции результирующего радиосигнала соответствовал информационному сообщению . Перекодированный таким образом сигнал разделяется на два квадратурных канала: четные биты поступают в синусный канал, нечетные - в косинусный (блок Deinterlacer).

.

Длительность символов в каждом из каналов увеличивается в 2 раза для сохранения прежней скорости передачи, а косинусный канал сдвигается по фазе относительно синусного на (блоки Zero Order Hold и Memory1). Затем информационные символы сглаживаются полупериодами синусоиды (блок Sine Wave). В косинусный канал синусоида поступает задержанной во времени на четверть периода (Transport delay). Таким образом, если биты с выхода генератора ПСП имеют длительность , то в квадратурных каналах символы имеют длительность , а сглаживающая синусоида - период . Сглаженные импульсы модулируют по амплитуде несущее колебание (блок Sine Wave 2). В косинусный канал оно подается со сдвигом фазы на (Transport delay 1). В итоге сигналы в квадратурных каналах будут иметь вид:

где

закон модуляции дискрета. После сложения квадратурных компонент амплитудная модуляция исчезает, и результирующий радиосигнал становится частотно-модулированным. Блок Slider Gain моделирует усилитель мощности на выходе передатчика. Девиация частоты равна ± 300 Гц, закон модуляции повторяет исходную биполярную последовательность . Соотношение тактовой частоты информационных символов и девиации частоты сформированного ЧМ - сигнала таково, что он относится к классу сигналов MSK (Minimum Shift Keying - сигнал с минимальным частотным сдвигом) [1]. Затем сформированный сигнал пропускается через ограниченный по полосе канал связи с аддитивным белым гауссовским шумом и принимается квадратурным приемником, в котором над сигналом производятся операции, обратные описанным выше, для восстановления информационной последовательности.

Схема модели в Simulink изображена на рисунке 1. Временные диаграммы, поясняющие процесс формирования сигнала, представлены на рисунке 2.

Рисунок 1. Модель системы передачи информации с квадратурным формированием и обработкой MSK-сигнала

Рисунок 2. Временные диаграммы работы квадратурного модулятора MSK-сигнала

На рисунке 2 1-й график - цифровая последовательность с выхода генератора ПСП, 2-й - она же, преобразованная в сигнал БВН (Без Возврата к Нулю - биполярный), 3-й - после относительного перекодирования, 4-й график - четные символы перекодированной последовательности в синусном канале, 5-й - нечетные символы перекодированной последовательности в косинусном канале, 6-й - сглаженные синусоидой символы в синусном канале, 7-й - сглаженные синусоидой символы в косинусном канале, 8-й график - амплитудно-модулированная несущая в синусном канале, 9-й - амплитудно-модулированная несущая в косинусном канале, 10-й график - результирующий MSK-сигнал.

Схема модели квадратурного приемника, а также анализатор спектра, измеритель вероятности ошибки и осциллограф изображены в нижней части рисунка 1. Временные диаграммы, поясняющие процесс квадратурной демодуляции MSK-сигнала, представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Временные диаграммы работы квадратурного демодулятора MSK-сигнала

Здесь на 1-ом графике представлен радиосигнал в смеси в АБГШ после ограничения по полосе (блок Analog Filter Design 3 - фильтр Баттерворта 2-го порядка с полосой 4 кГц - в заданном диапазоне работы системы (38 кГц) эта ширина полосы канала соответствует стандартам ГКРЧ), 2-й график - радиосигнал, умноженный на несущую частоту (перемножитель вместе с низкочастотным фильтром представляет собой преобразователь частоты к нулю). Это синусный канал квадратурного демодулятора. Для формирования косинусного канала фаза восстановленной несущей частоты радиосигнала поворачивается на 90°. На 3-ем графике представлен сигнал после перемножителя в косинусном канале. На 4-ом и 5-ом графиках изображены осциллограммы сигналов после ФНЧ (Analog Filter Design и Analog Filter Design 2). Фильтры Батеерворта 1-го порядка, полоса их немного больше, чем тактовая частота символов в квадратурных каналах - . По форме они отдаленно напоминают сигналы в квадратурных каналах модулятора после сглаживания информационных символов синусоидой. Так как радиосигнал является частотно-модулированным, для дальнейшей обработки его исключим информацию об амплитуде, сохранив информацию о частоте и фазе, пропустив сигнал через усилитель-ограничитель (блоки Gain и Saturation).

В описываемой модели применены схемы восстановления несущего колебания и тактовой частоты информационных символов, приведенные в [2]. Данные схемы помещены в подсистему Atomic Subsystem1 и представлены на рисунке 4. Основу их составляет петля ФАПЧ. С выходов данной подсистемы на преобразователи частоты в квадратурных каналах поступает восстановленная частота несущего колебания и тактовые импульсы на счетные входы D-триггеров. По фронтам тактовых импульсов происходит запись на выходы Q триггеров информации с выходов усилителей ограничителей. Так как в модуляторе информационные символы в квадратурных каналах были сдвинуты относительно друг друга на четверть периода, восстановленные импульсы тактовой частоты в демодуляторе подвергнуты такому же сдвигу (блок Transport delay 3). Принятые последовательности символов в квадратурных каналах представлены на 6-ом и 7-ом графиках рисунка 3. Они вовсе не похожи на аналогичные сигналы в модуляторе, так как те умножались на синусоиду с частотой . Синусоида каждые полпериода меняет знак, следовательно для восстановления исходных последовательностей символов в квадратурных каналах полученные сигналы необходимо умножить на меандр. Меандр также тактируется от схемы восстановления тактовой частоты с необходимым фазовым сдвигом в косинусном канале. После умножения сигналы приобретают такой же вид, как после разделения на квадратуры в модуляторе (). Они представлены на графиках 8 и 9. После перемножения квадратурных каналов получаем исходную информационную последовательность (график 10 рисунка 3).

Рисунок 4. Схема восстановления несущей и схема восстановления тактовой частоты принятого сигнала

Для наглядности на рисунке 5 приведем отдельно исходную информационную последовательность (график 1), сигнал в смеси с шумом (график 2) и принятую квадратурным способом информационную последовательность (график 3).

Рисунок 6. Результат моделирования - передача информации по радиоканалу с шумами

Спектр сформированного MSK-сигнала, вычисленный с помощью БПФ, представлен на рисунке 6. Его вид соответствует теоретически рассчитанному спектру, приведенному в [1] и [2].

Рисунок 6. Спектр сформированного MSK-сигнала

Модель работает в режиме Accelerator. В схеме присутствует блок (Zero Order Hold 4, после преобразования исходного сигнала к биполярному виду), необходимости в котором, исходя из логики работы, нет, однако в отдельных случаях при попытке подключения осциллографа в отсутствие этого блока появлялось сообщение об ошибке, и процесс симуляции не стартовал. Нюансы работы схемы таковы, что первый принятый символ может быть ошибочным, что можно не учитывать в дальнейшем при расчете величины BER.

Выводы. Построенная модель и сформированный MSK-сигнал по своим параметрам соответствуют теории и могут служить объектом исследования и применяться при проектировании радиосистем на начальных стадиях разработки. Модель создана на основе находящейся в стадии разработки в научно-исследовательской лаборатории аппаратуры передачи данных по высоковольтным ЛЭП, что подтверждает высокую степень ее соответствия практической схеме приемопередающего устройства. Дальнейшим развитием модели может быть введение помехоустойчивого кодирования и кадровой синхронизации.

Литература

  1. Прокис Дж. Цифровая связь. - М., Радио и Связь, 2000г.
  2. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. - М., Радио и Связь, 2000г.

Поиск по сайту:

Система Orphus

Яндекс.Метрика